我國低壓接地系統(tǒng)的應用和發(fā)展

我國建國初期，低壓配電系統(tǒng)采用“380/220V三相四線制”，電源中性點直接接地，保護形式為接地保護（即后來的TT系統(tǒng)）。圖1建國初期接地保護當時的接地保護并不安全，原因在于，發(fā)生單相接地故障時，由于接地電阻值不宜控制，即使忽略變壓器阻抗和短路處的阻抗,故障電流仍然較小，保護裝置往往不能動作,這時設備金屬外殼將長期呈現(xiàn)故障電壓，可能對接觸金屬外殼的人員造成電擊傷亡。圖2接地保護設備單相接地故障一、學習蘇聯(lián)電氣設備安全規(guī)程1、參考蘇聯(lián)《電氣設備安全規(guī)程》1.1.1、接零保護后來在我國的電力工業(yè)系統(tǒng)中，明確提出了向蘇聯(lián)學習的方針，不僅要學習蘇聯(lián)一切成功的經(jīng)驗，而且要從蘇聯(lián)曾經(jīng)受到的挫折中吸取教訓。1958年3月,水利電力部發(fā)布水電技程字第070號——“關于把蘇聯(lián)《電氣設備安全規(guī)程》作為參考資料的指示”，要求在我國《電氣設備接地裝置規(guī)程》未頒布之前，本著多、快、好、省的原則，根據(jù)具體工程的性質(zhì)和特點，參考1957年版蘇聯(lián)《電氣設備安全規(guī)程》進行工作。其中，“電壓在1000V以下的電氣裝置中的接地和接零”第3節(jié)一般導則有以下要求：16.三相四線制電網(wǎng)的中性線當線電壓在380V以下時，以及單相三線制的中性線，建議直接接地。交流三相三線制的電網(wǎng)的中性點建議不接地。17.中性點直接接地的電網(wǎng)中應采用接零，而在無直接接地的電網(wǎng)中應采用保護接地。在同一電網(wǎng)中，把電氣設備的一些物件接零，而將另一些接地是不允許的。此“三相四線制”并非IEC帶電導體系統(tǒng)的三相四線制，而是變壓器低壓側(cè)僅引出四線，即三根相線和中性線。當中性線接地后，中性點稱為零點，零點引出的導線稱為零線，這種接零保護實際是后期IEC標準中的TN-C系統(tǒng)。接零保護設備發(fā)生碰殼短路時，短路電流經(jīng)外殼和零線形成閉合回路，因相線和零線的阻抗很小，導致短路電流較大，一般情況下能使保護電器動作，從而保障人身安全。從此，接零保護在我國全面展開。圖3接零保護1.1.2、接地保護對于低壓側(cè)中性點不接地系統(tǒng)，不允許采用接零保護。因為系統(tǒng)中任何一相發(fā)生碰殼，都會使所有零線上的電氣設備金屬外殼上出現(xiàn)接近相電壓的對地電壓，反而對人身造成更大的危害。因此，標準要求低壓側(cè)中性點不接地系統(tǒng)應采用保護接地。電氣設備一旦發(fā)生絕緣故障，故障電流將沿接地電阻和人體兩個路徑流過，流過每一路徑的電流值與其電阻值成反比，因此保護接地電阻越小，流經(jīng)人體的電流也越小。對于交流400V以下的不接地系統(tǒng)，單相接地電流不會很大，電氣設備的保護接地電阻要求不大于4Ω，一般能比較有效地防止嚴重電擊事故發(fā)生。圖4接地保護1.1.3、同一電網(wǎng)中，不允許接零保護和接地保護早期，同一系統(tǒng)中，不允許采用接零保護和接地保護，因為一旦接地保護的設備出現(xiàn)碰殼故障，由于接地保護的設備故障阻抗較大，保護電器很難切斷故障回路，設備外殼將存在故障電壓，而電源中性點也會產(chǎn)生對地電壓Uf=if×RB，此電壓將傳導至接零保護的設備外殼，接觸設備金屬外殼的人將發(fā)生電擊事故。圖5同一系統(tǒng)中采用接零保護和接地保護1.2《電氣設備接地裝置規(guī)程》頒布1959年9月9日，水利電力部根據(jù)幾年來的運行經(jīng)驗，并參考了蘇聯(lián)電氣設備安裝規(guī)程的有關部分，制訂并頒布了我國首個電氣安全規(guī)程——《電氣設備接地裝置規(guī)程》?！暗?7條在中性點直接接地的電氣設備中，當接地短路時，應保證一最短的遮斷時間將網(wǎng)路的故障段可靠地自動斷開。因此，在電壓為1kV以下的中性點直接接地的電氣裝置中，電氣設備的外殼，除另有規(guī)定外一定要與電氣設備的接地中性點有金屬連接（接零）。第19條.電壓為1kV以下的交直流電氣設備，允許中性點直接接地或不接地。在四線制交流電網(wǎng)中，一定要用直接接地的中性線。第20條.中性點不接地1kV以下的電網(wǎng)，經(jīng)變壓器與1kV以上的電網(wǎng)相連時，為了防止因高低壓線圈之間的絕緣損壞引起危險，應在變壓器低壓側(cè)的中性線或相線上裝設擊穿保險器。第21條.在發(fā)生碰殼短路時，可用自動裝置將設備的電源斷開，自動裝置應在下列情況下使用：1、對安全條件要求較高的中性點不接地的電氣設備（如采煤工業(yè)）中除已有的接地裝置外，可增設上述設備。2、在電壓為1kV以下的中性點直接接地的電氣設備中，如果使外殼與接地中性點連接有困難時，設備外殼可不與接地中性點相連接。但被保護的電氣設備的接地裝置應有滿足中性點不接地設備的要求?！睂τ谌嗨木€制系統(tǒng)，中性點應直接接地，且必須采用接零保護，規(guī)程強調(diào)自動切斷電源裝置的應用。對于中性點不接地系統(tǒng)，只考慮高壓串入低壓的故障，而未明確低壓電源碰殼故障的危害。第19條.談到兩個碰殼故障情況的切斷電源的情況：1）中性點不接地設備采用自動切斷電源措施；2）中性點直接接地，電氣設備也接地的情況，利用回路保護電器作為接地故障保護。在當時條件下，以上兩條不具有應用價值。1.3JGJ16-83建筑電氣設計技術規(guī)程根據(jù)（83）城設字第923號，中國城鄉(xiāng)建設環(huán)境保護部委托中國建筑東北設計院主編，中國建筑西南設計院、北京市建筑設計院共同負責編制《建筑電氣設計技術規(guī)程》JGJ16-83，于1984年3月1日試行，這是我國建設行業(yè)電氣標準的起源。其中：18.1.3中性點直接接地的電力網(wǎng)，應裝設能迅速自動切除接地故障的保護裝置。中性點非直接接地的電力網(wǎng)，應裝設迅速反應接地故障的信號裝置。必要時，也可裝設延時自動切除接地故障的保護裝置。18.1.4在中性點直接接地的低壓電力網(wǎng)中，電力裝置宜采用低壓接零保護。在中性點非直接接地的低壓電力網(wǎng)中，電力裝置應采用低壓接地保護。由同一臺發(fā)電機、同一臺變壓器或同一段母線供電的低壓電力網(wǎng)，不宜同時采用上述兩種保護方式。在中性點直接接地的低壓電力網(wǎng)中，當全部采用低壓接零保護確有困難時，也可同時采用上述兩種保護方式，但不接零的電力裝置或線段，應裝設能自動切除接地故障的裝置（如漏電流保護裝置等）。18.1.3要求中性點非直接接地的電力網(wǎng)，應裝設接地故障信號裝置。標準對于中性點直接接地系統(tǒng)，強調(diào)設置迅速自動切除接地故障的保護裝置。中性點非直接接地系統(tǒng)，應裝設接地故障信號顯示裝置。由于當時漏電保護器（即剩余電流保護裝置RCD）已進入實施階段，因此規(guī)程發(fā)生了兩個變化：1）不再強調(diào)中性點直接接地系統(tǒng)必須采用接零保護，因為采用接地保護時,RCD裝置能夠迅速切斷故障回路；2）不再強調(diào)同一系統(tǒng)中接零保護和接地保護不可共用。彼時，保護等電位聯(lián)結(jié)尚未在我國推廣，我國從1974年在農(nóng)村地區(qū)試用電壓動作型漏電保護器，其基本原理是檢測被保護電氣設備在發(fā)生故障時的對地電壓；當對地電壓上升到超過允許值后，發(fā)生脫扣。但是，電壓動作型漏電保護器有著固有的缺陷：一、接入接地導體的是保護開關的脫扣線圈，它具有高阻特性；當開關失效或接線錯誤，可能導致線圈燒毀，設備對地絕緣，而設備外殼具有高達接近額定電壓的對地電壓。二、電壓動作型漏電保護器需要設置獨立的輔助接地極，這在很多場合難以實現(xiàn)。因此，到1982年電流動作性漏電保護器開始增多。18.1.4條提出采用漏電流保護措施自動切除接地故障。接地保護（由于中性點接地，實際是TT系統(tǒng)）采用漏電保護器作為故障防護電器后，能夠迅速切斷故障回路，使得接零保護（TN系統(tǒng)）和接地保護（TT系統(tǒng)）可以共用。圖6

接零保護和接地保護共用1.4、GBJ65-83工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范國家建委（71）建革函字第150號通知的要求，分別由水利電力部、機械工業(yè)部匯通有關單位共同編制實施設計規(guī)范。按前蘇聯(lián)的規(guī)程和導則編制GB5XXXX系列建筑電氣國家標準。從1971年開始編寫，共約14個國標規(guī)范，約8個由機械部負責，約6個由電力部編（包括接地、35kV變電所、繼電保護和測量等）。規(guī)范于1974年編制完成，因某些原因于1983年發(fā)布，1984年6月1日試行，這是建筑電氣設計國家標準的起源。其中包括我國第一部安全接地國家標準《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》GBJ65-83。電力部因為不懂“用電”，高壓和低壓無法統(tǒng)一，且不太注重接受IEC相關成果。第2.0.1條為保證人身和設備的安全，電力裝置宜接地或接零。第2.0.4條中性點直接接地的電力網(wǎng)，應裝設能迅速自動切除接地短路故障的保護裝置。中性點非直接接地的電力網(wǎng)，應裝設能迅速反應接地故障的信號裝置，必要時，也可裝設延時自動切除故障的裝置。第2.0.5條低壓電力網(wǎng)的中性點可直接接地或不接地。當安全條件要求較高，且裝有能迅速而可靠地自動切除接地故障的裝置時，電力網(wǎng)宜采用中性點不接地的方式。第2.0.6條在中性點直接接地的低壓電力網(wǎng)中，電力設備的外殼宜采用低壓接零保護，即接零。如用電設備較少、分散，采用接零保護確有困難，且土壤電阻率較低，可采用低壓接地保護。但如用電設備漏電，設備外殼和與其有電氣連接的金屬部分可能帶電，應采取裝設自動切除接地故障的繼電保護裝置、使用絕緣墊、安裝圍欄或均壓等安全措施。由同一臺發(fā)電機、同一臺變壓器或同一段母線供電的低壓線路，不宜采用接零、接地兩種保護方式。在低壓電力網(wǎng)中，當全部采用接零保護確有困難時，可同時采用兩種保護方式，但不接零的電力設備或線段，應裝設能自動切除接地故障的繼電保護裝置。城防、人防等潮濕或條件特別惡劣場所的供電電力設備的外殼應采用接零保護。第7.0.4條由固定式電源或由移動式發(fā)電設備供電的移動式機械的金屬外殼或底座，應與電源的接地裝置有可靠的金屬連接。如根據(jù)移動式機械的特殊情況，按本規(guī)范的要求接地實際上不可能或不合理時，可利用自動切斷電源裝置代替接地。GBJ65-83體現(xiàn)了兩個顯著的特點：1）中性點直接接地的系統(tǒng)，采用接零保護確有困難時，也可以采用接地保護。2）在接地故障阻抗較大的情況下，強調(diào)低壓系統(tǒng)采用繼電保護裝置切斷故障回路，而不是采用漏電保護器，對漏電保護器的推廣應用視而不見，例如，同一系統(tǒng)中，采用接零、接地兩種保護方式時，接地保護的設備應裝設能自動切除接地故障的繼電保護裝置。鑒于GBJ65-83在1974年編制完成，其安全接地條文與水利電力部1976年頒布的《電力設備接地技術規(guī)程》SDJ8-76完全一致。SDJ8-76隨后更新為SDJ8-79，然后被《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1979替代，最終又被《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》GB／T50065-2011替代。這一段時期的規(guī)程和標準都在強調(diào)接零保護的重要性和普遍性（當時的零線即PEN線），但是接零保護仍然有一些問題：1）當時的規(guī)程對保護電器的動作靈敏度要求不夠合理，導致不能可靠地切斷單相接地故障。2）由于三相負荷不平衡和三次諧波電流的作用，零線上存在電壓降，在正常運行時零線帶有電位。3）零線斷線時，設備外殼帶相電壓，可能造成致命事故。二、學習IEC標準的先進成果2.1IEC標準譯文集國際電工委員會（IEC）TC64電氣裝置委員會于1967年成立，其范圍包括：制定有關建筑物電氣裝置布線安全及相關事項的國際標準，并促進這些標準與電氣裝置之間的兼容性。IECTC64標準涉及1000V以下建筑電氣裝置，其364標準包括7個系列，分類順序與電氣裝置的規(guī)劃和執(zhí)行程序相對應。根據(jù)國家標準總局1978年11月28日國標發(fā)（1978）202號《請組織安排翻譯“國際標準”的函》及一機部標準化研究所1978年12月《關于翻譯出版IEC標準的補充規(guī)定（草案）》，將國際電工委員會（IEC）第64技術委員會（TC64）出版的有關建筑物電氣裝置的正式技術文件以譯文集形式，于1983年6月出版。該文集包括了到1982年底TC64正式出版的所有文件，其中IEC364-3:1977（第一版）建筑物電氣裝置第三篇：一般性能的估計312.2將系統(tǒng)接地的型式分為：TN系統(tǒng)（包括TN-S、TN-C-S和TN-C系統(tǒng)）、TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)?；瑒娱営[圖7TN-S系統(tǒng)圖8TN-C-S系統(tǒng)圖9TN-C系統(tǒng)圖10TT系統(tǒng)圖11IT系統(tǒng)IEC標準的系統(tǒng)接地型式將電源中性點和電氣設備的對地關系統(tǒng)一考慮，包括了系統(tǒng)接地（也稱工作接地）和保護接地的內(nèi)容，更加清晰化系統(tǒng)接地型式，例如，將前蘇聯(lián)的接零保護分別定義為：TN-S,TN-C-S和TN-C系統(tǒng)；將零線具體分為：PEN線、N線和PE線。其中，PEN導體名詞由瑞典國家委員會在1974年的TC64草案中提出。（1986年11月，中國電工技術學會工業(yè)與建筑應用專業(yè)委員會通過《關于低壓電網(wǎng)防觸電設計問題的建議》，提出應統(tǒng)一采用IEC的名詞術語，如TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)、N線、PE線、PEN線等，不再采用保護接零、保護接地、三相五線制、零線等術語。）另一件重要的標準《剩余電流動作保護裝置的一般要求》IEC755-1983發(fā)布，這是有關RCD的第一個標準，也被稱為RCD的“母規(guī)”，對RCD的應用及TT系統(tǒng)的推廣有極大的促進作用。2.2、GB14050-93系統(tǒng)接地的型式及安全技術要求根據(jù)IECTC64標準的成果，全國電氣安全標準化技術委員會歸口，國家技術監(jiān)督局批準發(fā)布《系統(tǒng)接地的型式及安全技術要求》GB14050-93，于1993年7月4日實施。GB14050-93的系統(tǒng)接地的型式引自英國線規(guī)BS7671，和IEC標準的圖示相比差別較大。例如，TN-C系統(tǒng)（見圖12）和TN-C-S系統(tǒng)（見圖13），這兩個圖示有以下特點：1）將多個用戶裝置、電氣裝置中的設備、外露可導電部分分別示出，而IEC標準僅體現(xiàn)一個用戶裝置的系統(tǒng)接地型式。2）TN-C-S系統(tǒng)的用戶電氣裝置中，PEN未體現(xiàn)重復接地，PEN分為N、PE后接入電氣裝置和設備方面表現(xiàn)不足。BS7671原圖中有注：TN-C-S系統(tǒng)的通常形式如圖所示，其中供電為TN-C，用戶電氣裝置內(nèi)為TN-S系統(tǒng)。這種接地型式也被稱為保護性多重接地。這種接地型式在我國工廠多個車間內(nèi)經(jīng)常采用。隨后，下一版GB14050-2008版做了修改，完全采用了IEC標準的圖示。圖12TN-C系統(tǒng)（源自BS7671）圖13TN-C-S系統(tǒng)（源自BS7671）2.3、JGJ/T16-92民用建筑電氣設計規(guī)范根據(jù)建設部(87)城科字第276號文的要求，由中國建筑東北設計研究院主編的《民用建筑電氣設計規(guī)范》被批準為推薦性行業(yè)標準，編號JGJ/T16-92，自1993年8月1日施行。原部標《建筑電氣設計技術規(guī)程))(JGJ16-83)同時廢止。標準根據(jù)IEC標準列出了三種接地型式，系統(tǒng)接地型式均和IEC標準協(xié)調(diào)一致。該標準對我國工程建設行業(yè)的電氣設計影響巨大，較長一段時間以來，低壓系統(tǒng)接地型式均參見該標準。2.4、GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設計規(guī)范按照我國習慣，GB14050-93標準不屬于設計標準，我國住建部的GB50065接地標準歷經(jīng)28年，才將IEC標準的系統(tǒng)接地的型式正式列入